井底应力解除结合数字图像相关法测量水平地应力

1.目的

地应力是页岩气勘探开发研究中涉及的一项重要参数。原岩地应力测量方法目前主要包括应力解除法和水压致裂法两种。其中前者测试深度相对较浅，需要足够的地下空间容纳空心包体应力计设备；后者虽不受测试深度的限制，但求取最大水平应力时则需要给出抗张强度、破裂压力等参数，不确定度较大。为了给页岩气井位部署、压裂设计及套管变形风险预测等提供更可靠的基础数据，笔者采用井底应力解除结合数字图像相关法来测量水平应力的大小和方向，以期提高测量的精确度和快捷度，并且为岩心实验结果提供实测数据，以便于其修正或印证。

2.方法

钻直井至测量目的层，首先采用磨铣工具平整井底表面，然后冲洗井底并使用井下成像仪对井底表面进行照明和拍照，结果显示井底表面有磨铣工具形成的散斑。接着在井底钻出如图1所示的环形沟槽和中心孔，解除作用在岩柱上的水平地应力。冲洗井底后，再次使用井下成像仪对井底表面进行照明和拍照。由于应力解除前后获得的图像来自两次拍摄过程，镜头的位置、角度都有可能发生变化。因此后续处理过程中，首先要以井筒为特征对两幅图像进行配准。最后，以中心孔为极点建立井底平面极坐标，通过数字图像相关法获得任意极角上的应变。显然，应变最大的方向θx为最大水平应力σx的方向，应变为εx。应变最小的方向θy为最小水平应力σy的方向，应变为εy。设杨氏模量为E、泊松比为λ，根据弹性力学理论可计算求得水平应力值。

3.作用和效果

应用结果表明，非接触式数字图像相关法可以解决油气井下狭小空间应变测量的问题，与井底应力解除结合能够实现水平地应力的测量。计算所需的杨氏模量、泊松比参数较抗张强度、破裂压力更易获得。根据页岩气井实际参数进行模拟计算；在数字图像分辨率为1亿像素的条件下，理论上的测量误差不超过2%。如果将钻孔、井底冲洗与摄像功能集成到同一个设备上，还可以省略图像配准的步骤，进一步节约作业时间实现即测即得。结论认为，该方法测量水平地应力无需取心实验且测量精度高，为油气领域地应力的实地测量提供了新方向，可以为页岩气开发研究提供更准确、更丰富的地应力数据。